Resumen de Hydraulic modelling and control of the soil-plant-atmosphere continuum in woody crops
- español
.
Resumen El agua dulce es un recurso fundamental en agricultura, especialmente en regiones secas como el sur de España. El uso de cultivos de regadío puede incrementar enormemente la producción agrícola, lo que la convierte en una herramienta crucial en la lucha contra el hambre en el mundo. Esta necesidad empieza a ser urgente, si tenemos en cuenta las perspectivas de crecimiento poblacional mundial y la escasez de alimentos en los países menos desarrollados. A esto se le une la creciente demanda por parte de otros sectores económicos que compiten también por los recursos hídricos. Todo lo anterior justifica la necesidad de un uso sostenible y racional del agua. En este marco se encuadra el objetivo principal de esta tesis: desarrollar nuevas estrategias y técnicas que permitan ahorros significativos de agua para el riego de frutales, a la par que mejoren la producción y calidad de la cosecha.
Numerosos estudios han revelado las ventajas e inconvenientes del riego deficitario como una de estas estrategias. La estrategia de riego deficitario consiste en reducir el agua aplicada a las plantas respecto a la teóricamente máxima sin perjudicar significativamente el rendimiento del cultivo. Los resultados publicados en la literatura son dispares y varían dependiendo principalmente de la distribución en el tiempo de las restricciones de riego, del tipo de cultivo y de las condiciones locales. En la primera parte de esta tesis se muestran los efectos de distintas estrategias de riego deficitario sobre la producción y calidad del fruto en plantaciones de naranjos del Valle del Guadalquivir.
Otra de las vías para la racionalización del riego es la implantación de tecnologías de riego de precisión con el uso de controladores de riego automático basados en realimentación. En este caso, la dosis de riego a aplicar se calcula a partir de medidas de variables del suelo, planta o atmósfera relacionadas con el estado hídrico de las plantas. En este trabajo de tesis se han desarrollado y evaluado en campo dos de estos controladores. Con uno de ellos se aplicó un riego diario en un olivar adulto, con dosis de agua estimadas a partir de medidas de flujo de savia en el tronco de árboles representativos. El segundo controlador de riego, basado en medidas meteorológicas y de humedad en el suelo, se evaluó en una plantación de almendros, demostrándose su utilidad para reducir las pérdidas de agua por drenaje, evaporación y escorrentía.
Uno de los enfoques más innovadores y prometedores para la automatización del riego es el basado en la medida del flujo de savia en órganos conductores de la planta. Su correcta aplicación requiere de sensores capaces de medir de forma fiable rangos amplios del flujo de savia. La mayor parte de los sensores disponibles en el mercado funcionan bien en rangos más restrictivos, es decir, no son fiables para el caso de flujos de savia muy bajos o muy altos. Una de las principales contribuciones de esta tesis ha sido el desarrollo y evaluación de dos nuevos métodos de medida de flujo de savia capaces de ampliar el rango de medida respecto de los métodos actuales, permitiendo, además, medir flujos inversos, lo cual es de sumo interés para el estudio de fenómenos relacionados con la elevación hidráulica en raíces de árboles frutales.
Más adelante se muestran nuestros trabajos de modelización del sistema suelo-planta-atmósfera y de diseño de estrategias de riego basadas en el uso de reguladores de la humedad en suelo, en particular del tipo proporcional-integral-derivativo y predictivo basado en modelo. El modelo matemático que presentamos se ha implementado en un entorno gráfico e intuitivo, apto para realizar simulaciones y para el desarrollo de controladores avanzados basados en modelo. Se evaluaron y compararon los resultados en simulación de diferentes estrategias de control. Uno de estos controladores fue también ensayado con éxito en una parcela de almendros, en dos periodos diferentes de una campaña de riego. En el último capítulo de esta tesis mostramos que el uso de técnicas y resultados de teoría de control puede tener un gran impacto en la mejora de los sistemas de riego y el uso eficiente de los recursos hídricos.
- English
Abstract Freshwater is a vital resource in agriculture, particularly in dry regions such as southern Spain. The use of irrigated crops can increase greatly agricultural production, making it a crucial tool in the fight against world hunger. This need is becoming urgent considering the prospects for world population growth and food shortages in the less developed countries. There is also a growing demand from other economic sectors also competing for water resources. These issues previous mentioned justify the need or a sustainable and rational use of water, which motivates the main objective of this thesis: to develop new strategies and techniques that provide significant irrigation water savings in fruit tree orchards, while improving production and crop quality.
Several studies have shown the advantages and shortfalls of deficit irrigation as one of these strategies. Deficit irrigation consists in reducing the water applied to the plants respect to the potential maximum, without causing significant decreases in crop performance. The reported results, which are varied, depend mainly on the timing for watering restrictions during the growing season, crop type and local conditions. In the first part of this thesis we show the effects of different deficit irrigation strategies on yield and fruit quality in orange orchards located in the Guadalquivir River Valley.
An alternative way to rationalize irrigation is the implementation of precise irrigation technologies by using automatic irrigation controllers based on feedback. In this case, the irrigation dose applied is calculated from measurements of soil, plant or atmosphere variables related to the water status of the plant. In this work we have developed and field tested two of these controllers. One of them was used to daily irrigate mature olive trees, in which the irrigation dose was estimated from sap flow measurements in the trunk of representative trees. The second irrigation controller, based on weather and soil moisture measurements, was evaluated in an almond orchard, demonstrating to be useful in reducing water losses by drainage, evaporation and runoff.
One of the most innovative and promising approaches for the automation of irrigation is based on the measurement of sap flow in conductive organs of a plant. A proper application of this approach requires sensors that can reliably measure broad ranges of sap flow. Most of the commercially available sensors work well in rather restrictive ranges, i.e. they are not reliable in the case of very low or very high sap flows. One of the main contributions of this thesis was the development and evaluation of two new methods for measuring sap flow, capable of a measurement range wider than those of most current methods, and suitable for the measurement of reverse flows. This is of great interest for the study of phenomena related to hydraulic lift in the root system of fruit trees.
Later, we show our research on modelling the soil-plant-atmosphere system and on the design of irrigation strategies based on regulating the soil moisture content, in particular proportional-integral-derivative and model-based predictive controllers. The mathematical model used was implemented in a graphical and intuitive way and can be used to perform simulations and to develop advanced model-based controllers. The simulation results of different control strategies were evaluated and compared. One of these controllers was also successfully tested on an almond orchard in two different periods during of an irrigation season. These results show that the use of techniques and tools from control theory may have a major impact on improving the irrigation systems and the efficient use of the water resources
